OpenSSL 入門：密碼學基礎知識

Marty Kalin發表於2020-01-23
密碼學

想要入門密碼學的基礎知識，尤其是有關 OpenSSL 的入門知識嗎？繼續閱讀。

本文是使用 OpenSSL 的密碼學基礎知識的兩篇文章中的第一篇，OpenSSL 是在 Linux 和其他系統上流行的生產級庫和工具包。（要安裝 OpenSSL 的最新版本，請參閱這裡。）OpenSSL 實用程式可在命令列使用，程式也可以呼叫 OpenSSL 庫中的函式。本文的示例程式使用的是 C 語言，即 OpenSSL 庫的源語言。

本系列的兩篇文章涵蓋了加密雜湊、數字簽名、加密和解密以及數字證書。你可以從我的網站的 ZIP 檔案中找到這些程式碼和命令列示例。

讓我們首先回顧一下 OpenSSL 名稱中的 SSL。

OpenSSL 簡史

安全套接字層Secure Socket Layer（SSL）是 Netscape 在 1995 年釋出的一種加密協議。該協議層可以位於 HTTP 之上，從而為 HTTPS 提供了 S：安全secure。SSL 協議提供了各種安全服務，其中包括兩項在 HTTPS 中至關重要的服務：

  • 對等身份驗證Peer authentication（也稱為相互質詢）：連線的每一邊都對另一邊的身份進行身份驗證。如果 Alice 和 Bob 要通過 SSL 交換訊息，則每個人首先驗證彼此的身份。
  • 機密性Confidentiality：傳送者在通過通道傳送訊息之前先對其進行加密。然後，接收者解密每個接收到的訊息。此過程可保護網路對話。即使竊聽者 Eve 截獲了從 Alice 到 Bob 的加密訊息（即中間人攻擊），Eve 會發現他無法在計算上解密此訊息。

反過來，這兩個關鍵 SSL 服務與其他不太受關注的服務相關聯。例如，SSL 支援訊息完整性，從而確保接收到的訊息與傳送的訊息相同。此功能是通過雜湊函式實現的，雜湊函式也隨 OpenSSL 工具箱一起提供。

SSL 有多個版本（例如 SSLv2 和 SSLv3），並且在 1999 年出現了一個基於 SSLv3 的類似協議傳輸層安全性Transport Layer Security（TLS）。TLSv1 和 SSLv3 相似，但不足以相互配合工作。不過，通常將 SSL/TLS 稱為同一協議。例如，即使正在使用的是 TLS（而非 SSL），OpenSSL 函式也經常在名稱中包含 SSL。此外，呼叫 OpenSSL 命令列實用程式以 openssl 開始。

除了 man 頁面之外，OpenSSL 的文件是零零散散的，鑑於 OpenSSL 工具包很大，這些頁面很難以查詢使用。命令列和程式碼示例可以將主要主題集中起來。讓我們從一個熟悉的示例開始（使用 HTTPS 訪問網站），然後使用該示例來選出我們感興趣的加密部分進行講述。

一個 HTTPS 客戶端

此處顯示的 client 程式通過 HTTPS 連線到 Google：

/* compilation: gcc -o client client.c -lssl -lcrypto */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <openssl/bio.h> /* BasicInput/Output streams */
#include <openssl/err.h> /* errors */
#include <openssl/ssl.h> /* core library */
#define BuffSize 1024

void report_and_exit(const char* msg) {
  perror(msg);
  ERR_print_errors_fp(stderr);
  exit(-1);
}

void init_ssl() {
  SSL_load_error_strings();
  SSL_library_init();
}

void cleanup(SSL_CTX* ctx, BIO* bio) {
  SSL_CTX_free(ctx);
  BIO_free_all(bio);
}

void secure_connect(const char* hostname) {
  char name[BuffSize];
  char request[BuffSize];
  char response[BuffSize];

  const SSL_METHOD* method = TLSv1_2_client_method();
  if (NULL == method) report_and_exit("TLSv1_2_client_method...");

  SSL_CTX* ctx = SSL_CTX_new(method);
  if (NULL == ctx) report_and_exit("SSL_CTX_new...");

  BIO* bio = BIO_new_ssl_connect(ctx);
  if (NULL == bio) report_and_exit("BIO_new_ssl_connect...");

  SSL* ssl = NULL;

  /* 鏈路 bio 通道，SSL 會話和伺服器端點 */

  sprintf(name, "%s:%s", hostname, "https");
  BIO_get_ssl(bio, &ssl); /* 會話 */
  SSL_set_mode(ssl, SSL_MODE_AUTO_RETRY); /* 魯棒性 */
  BIO_set_conn_hostname(bio, name); /* 準備連線 */

  /* 嘗試連線 */
  if (BIO_do_connect(bio) <= 0) {
    cleanup(ctx, bio);
    report_and_exit("BIO_do_connect...");
  }

  /* 驗證信任庫，檢查證書 */
  if (!SSL_CTX_load_verify_locations(ctx,
                                      "/etc/ssl/certs/ca-certificates.crt", /* 信任庫 */
                                      "/etc/ssl/certs/")) /* 其它信任庫 */
    report_and_exit("SSL_CTX_load_verify_locations...");

  long verify_flag = SSL_get_verify_result(ssl);
  if (verify_flag != X509_V_OK)
    fprintf(stderr,
            "##### Certificate verification error (%i) but continuing...\n",
            (int) verify_flag);

  /* 獲取主頁作為示例資料 */
  sprintf(request,
          "GET / HTTP/1.1\x0D\x0AHost: %s\x0D\x0A\x43onnection: Close\x0D\x0A\x0D\x0A",
          hostname);
  BIO_puts(bio, request);

  /* 從伺服器讀取 HTTP 響應並列印到輸出 */
  while (1) {
    memset(response, '\0', sizeof(response));
    int n = BIO_read(bio, response, BuffSize);
    if (n <= 0) break; /* 0 代表流結束，< 0 代表有錯誤 */
  puts(response);
  }

  cleanup(ctx, bio);
}

int main() {
  init_ssl();

  const char* hostname = "www.google.com:443";
  fprintf(stderr, "Trying an HTTPS connection to %s...\n", hostname);
  secure_connect(hostname);

return 0;
}

可以從命令列編譯和執行該程式（請注意 -lssl 和 -lcrypto 中的小寫字母 L）：

gcc -o client client.c -lssl -lcrypto

該程式嘗試開啟與網站 www.google.com 的安全連線。在與 Google Web 伺服器的 TLS 握手過程中，client 程式會收到一個或多個數字證書，該程式會嘗試對其進行驗證（但在我的系統上失敗了）。儘管如此，client 程式仍繼續通過安全通道獲取 Google 主頁。該程式取決於前面提到的安全工件，儘管在上述程式碼中只著重突出了數字證書。但其它工件仍在幕後發揮作用，稍後將對它們進行詳細說明。

通常，開啟 HTTP（非安全）通道的 C 或 C++ 的客戶端程式將使用諸如檔案描述符或網路套接字之類的結構，它們是兩個程式（例如，這個 client 程式和 Google Web 伺服器）之間連線的端點。另一方面，檔案描述符是一個非負整數值，用於在程式中標識該程式開啟的任何檔案類的結構。這樣的程式還將使用一種結構來指定有關 Web 伺服器地址的詳細資訊。

這些相對較低階別的結構不會出現在客戶端程式中，因為 OpenSSL 庫會將套接字基礎設施和地址規範等封裝在更高層面的安全結構中。其結果是一個簡單的 API。下面首先看一下 client 程式示例中的安全性詳細資訊。

  • 該程式首先載入相關的 OpenSSL 庫，我的函式 init_ssl 中對 OpenSSL 進行了兩次呼叫：

    SSL_load_error_strings();
SSL_library_init();

  • 下一個初始化步驟嘗試獲取安全上下文，這是建立和維護通往 Web 伺服器的安全通道所需的資訊框架。如對 OpenSSL 庫函式的呼叫所示，在示例中使用了 TLS 1.2：

    const SSL_METHOD* method = TLSv1_2_client_method(); /* TLS 1.2 */

    如果呼叫成功，則將 method 指標被傳遞給庫函式，該函式建立型別為 SSL_CTX 的上下文：

    SSL_CTX* ctx = SSL_CTX_new(method);

    client 程式會檢查每個關鍵的庫呼叫的錯誤，如果其中一個呼叫失敗，則程式終止。

  • 現在還有另外兩個 OpenSSL 工件也在發揮作用：SSL 型別的安全會話，從頭到尾管理安全連線；以及型別為 BIO（基本輸入/輸出Basic Input/Output）的安全流，用於與 Web 伺服器進行通訊。BIO 流是通過以下呼叫生成的：

    BIO* bio = BIO_new_ssl_connect(ctx);

    請注意，這個最重要的上下文是其引數。BIO 型別是 C 語言中 FILE 型別的 OpenSSL 封裝器。此封裝器可保護 client 程式與 Google 的網路伺服器之間的輸入和輸出流的安全。

  • 有了 SSL_CTX 和 BIO，然後程式在 SSL 會話中將它們組合在一起。三個庫呼叫可以完成工作：

    BIO_get_ssl(bio, &ssl); /* 會話 */
SSL_set_mode(ssl, SSL_MODE_AUTO_RETRY); /* 魯棒性 */
BIO_set_conn_hostname(bio, name); /* 準備連線 */

    安全連線本身是通過以下呼叫建立的：

    BIO_do_connect(bio);

    如果最後一個呼叫不成功，則 client 程式終止；否則，該連線已準備就緒，可以支援 client 程式與 Google Web 伺服器之間的機密對話。

在與 Web 伺服器握手期間，client 程式會接收一個或多個數字證書，以認證伺服器的身份。但是，client 程式不會傳送自己的證書，這意味著這個身份驗證是單向的。（Web 伺服器通常配置為不需要客戶端證書）儘管對 Web 伺服器證書的驗證失敗，但 client 程式仍通過了連線到 Web 伺服器的安全通道繼續獲取 Google 主頁。

為什麼驗證 Google 證書的嘗試會失敗？典型的 OpenSSL 安裝目錄為 /etc/ssl/certs，其中包含 ca-certificates.crt 檔案。該目錄和檔案包含著 OpenSSL 自帶的數字證書，以此構成信任庫truststore。可以根據需要更新信任庫，尤其是可以包括新信任的證書，並刪除不再受信任的證書。

client 程式從 Google Web 伺服器收到了三個證書，但是我的計算機上的 OpenSSL 信任庫並不包含完全匹配的證書。如目前所寫，client 程式不會通過例如驗證 Google 證書上的數字簽名（一個用來證明該證書的簽名）來解決此問題。如果該簽名是受信任的，則包含該簽名的證書也應受信任。儘管如此，client 程式仍繼續獲取頁面，然後列印出 Google 的主頁。下一節將更詳細地介紹這些。

客戶端程式中隱藏的安全性

讓我們從客戶端示例中可見的安全工件（數字證書）開始，然後考慮其他安全工件如何與之相關。數字證書的主要格式標準是 X509，生產級的證書由諸如 Verisign 的證書頒發機構Certificate Authority（CA）頒發。

數字證書中包含各種資訊（例如，啟用日期和失效日期以及所有者的域名），也包括髮行者的身份和數字簽名（這是加密過的加密雜湊值）。證書還具有未加密的雜湊值，用作其標識指紋。

雜湊值來自將任意數量的二進位制位對映到固定長度的摘要。這些位代表什麼（會計報告、小說或數字電影）無關緊要。例如，訊息摘要版本 5Message Digest version 5（MD5）雜湊演算法將任意長度的輸入位對映到 128 位雜湊值，而 SHA1（安全雜湊演算法版本 1Secure Hash Algorithm version 1）演算法將輸入位對映到 160 位雜湊值。不同的輸入位會導致不同的（實際上在統計學上是唯一的）雜湊值。下一篇文章將會進行更詳細的介紹，並著重介紹什麼使雜湊函式具有加密功能。

數字證書的型別有所不同（例如根證書、中間證書和最終實體證書），並形成了反映這些證書型別的層次結構。顧名思義，根證書位於層次結構的頂部，其下的證書繼承了根證書所具有的信任。OpenSSL 庫和大多數現代程式語言都具有 X509 資料型別以及處理此類證書的函式。來自 Google 的證書具有 X509 格式，client 程式會檢查該證書是否為 X509_V_OK。

X509 證書基於公共金鑰基礎結構public-key infrastructure（PKI），其中包括的演算法（RSA 是占主導地位的演算法）用於生成金鑰對：公共金鑰及其配對的私有金鑰。公鑰是一種身份：Amazon 的公鑰對其進行標識，而我的公鑰對我進行標識。私鑰應由其所有者負責保密。

成對出現的金鑰具有標準用途。可以使用公鑰對訊息進行加密，然後可以使用同一個金鑰對中的私鑰對訊息進行解密。私鑰也可以用於對文件或其他電子工件（例如程式或電子郵件）進行簽名，然後可以使用該對金鑰中的公鑰來驗證簽名。以下兩個示例補充了一些細節。

在第一個示例中，Alice 將她的公鑰分發給全世界，包括 Bob。然後，Bob 用 Alice 的公鑰加密郵件，然後將加密的郵件傳送給 Alice。用 Alice 的公鑰加密的郵件將可以用她的私鑰解密（假設是她自己的私鑰），如下所示：

             +------------------+ encrypted msg  +-------------------+
Bob's msg--->|Alice's public key|--------------->|Alice's private key|---> Bob's msg
             +------------------+                +-------------------+

理論上可以在沒有 Alice 的私鑰的情況下解密訊息，但在實際情況中，如果使用像 RSA 這樣的加密金鑰對系統，則在計算上做不到。

現在，第二個示例，請對文件簽名以證明其真實性。簽名演算法使用金鑰對中的私鑰來處理要簽名的文件的加密雜湊：

                    +-------------------+
Hash of document--->|Alice's private key|--->Alice's digital signature of the document
                    +-------------------+

假設 Alice 以數字方式簽署了傳送給 Bob 的合同。然後，Bob 可以使用 Alice 金鑰對中的公鑰來驗證簽名：

                                             +------------------+
Alice's digital signature of the document--->|Alice's public key|--->verified or not
                                             +------------------+

假若沒有 Alice 的私鑰，就無法輕鬆偽造 Alice 的簽名：因此，Alice 有必要保密她的私鑰。

在 client 程式中，除了數字證書以外，這些安全性都沒有明確展示。下一篇文章使用使用 OpenSSL 實用程式和庫函式的示例填充更多詳細的資訊。

命令列的 OpenSSL

同時，讓我們看一下 OpenSSL 命令列實用程式：特別是在 TLS 握手期間檢查來自 Web 伺服器的證書的實用程式。呼叫 OpenSSL 實用程式可以使用 openssl 命令，然後新增引數和標誌的組合以指定所需的操作。

看看以下命令：

openssl list-cipher-algorithms

該輸出是組成加密演算法套件cipher suite的相關演算法的列表。下面是列表的開頭，加了澄清首字母縮寫詞的註釋：

AES-128-CBC ## Advanced Encryption Standard, Cipher Block Chaining
AES-128-CBC-HMAC-SHA1 ## Hash-based Message Authentication Code with SHA1 hashes
AES-128-CBC-HMAC-SHA256 ## ditto, but SHA256 rather than SHA1
...

下一條命令使用引數 s_client 將開啟到 www.google.com 的安全連線，並在螢幕上顯示有關此連線的所有資訊：

openssl s_client -connect www.google.com:443 -showcerts

埠號 443 是 Web 伺服器用於接收 HTTPS（而不是 HTTP 連線）的標準埠號。（對於 HTTP，標準埠為 80）Web 地址 www.google.com:443 也出現在 client 程式的程式碼中。如果嘗試連線成功，則將顯示來自 Google 的三個數字證書以及有關安全會話、正在使用的加密演算法套件以及相關專案的資訊。例如，這是開頭的部分輸出，它宣告證書鏈即將到來。證書的編碼為 base64：

Certificate chain
 0 s:/C=US/ST=California/L=Mountain View/O=Google LLC/CN=www.google.com
 i:/C=US/O=Google Trust Services/CN=Google Internet Authority G3
-----BEGIN CERTIFICATE-----
MIIEijCCA3KgAwIBAgIQdCea9tmy/T6rK/dDD1isujANBgkqhkiG9w0BAQsFADBU
MQswCQYDVQQGEwJVUzEeMBwGA1UEChMVR29vZ2xlIFRydXN0IFNlcnZpY2VzMSUw
...

諸如 Google 之類的主要網站通常會傳送多個證書進行身份驗證。

輸出以有關 TLS 會話的摘要資訊結尾，包括加密演算法套件的詳細資訊：

SSL-Session:
    Protocol : TLSv1.2
    Cipher : ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256
    Session-ID: A2BBF0E4991E6BBBC318774EEE37CFCB23095CC7640FFC752448D07C7F438573
...

client 程式中使用了協議 TLS 1.2，Session-ID 唯一地標識了 openssl 實用程式和 Google Web 伺服器之間的連線。Cipher 條目可以按以下方式進行解析：

  • ECDHE（橢圓曲線 Diffie-Hellman（臨時）Elliptic Curve Diffie Hellman Ephemeral）是一種用於管理 TLS 握手的高效的有效演算法。尤其是，ECDHE 通過確保連線雙方（例如，client 程式和 Google Web 伺服器）使用相同的加密/解密金鑰（稱為會話金鑰）來解決“金鑰分發問題”。後續文章會深入探討該細節。
  • RSA（Rivest Shamir Adleman）是主要的公共金鑰密碼系統，並以 1970 年代末首次描述了該系統的三位學者的名字命名。這個正在使用的金鑰對是使用 RSA 演算法生成的。

  • AES128（高階加密標準Advanced Encryption Standard）是一種塊式加密演算法block cipher，用於加密和解密位塊blocks of bits。（另一種演算法是流式加密演算法stream cipher，它一次加密和解密一個位。）這個加密演算法是對稱加密演算法，因為使用同一個金鑰進行加密和解密，這首先引起了金鑰分發問題。AES 支援 128（此處使用）、192 和 256 位的金鑰大小：金鑰越大，安全性越好。

    通常，像 AES 這樣的對稱加密系統的金鑰大小要小於像 RSA 這樣的非對稱（基於金鑰對）系統的金鑰大小。例如，1024 位 RSA 金鑰相對較小，而 256 位金鑰則當前是 AES 最大的金鑰。

  • GCM（伽羅瓦計數器模式Galois Counter Mode）處理在安全對話期間重複應用的加密演算法（在這種情況下為 AES128）。AES128 塊的大小僅為 128 位，安全對話很可能包含從一側到另一側的多個 AES128 塊。GCM 非常有效，通常與 AES128 搭配使用。

  • SHA256（256 位安全雜湊演算法Secure Hash Algorithm 256 bits）是我們正在使用的加密雜湊演算法。生成的雜湊值的大小為 256 位，儘管使用 SHA 甚至可以更大。

加密演算法套件正在不斷髮展中。例如，不久前，Google 使用 RC4 流加密演算法（RSA 的 Ron Rivest 後來開發的 Ron’s Cipher 版本 4）。 RC4 現在有已知的漏洞，這大概部分導致了 Google 轉換為 AES128。

總結

我們通過安全的 C Web 客戶端和各種命令列示例對 OpenSSL 做了首次瞭解，使一些需要進一步闡明的主題脫穎而出。下一篇文章會詳細介紹，從加密雜湊開始，到對數字證書如何應對金鑰分發挑戰為結束的更全面討論。

via: https://opensource.com/article/19/6/cryptography-basics-openssl-part-1

作者：Marty Kalin 選題：lujun9972 譯者：wxy 校對：wxy

本文由 LCTT 原創編譯，Linux中國 榮譽推出

OpenSSL 入門：密碼學基礎知識

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